Исследование компенсационного стабилизатора напряжения.

 

Соберите следующую схему (рис. 2.21).

 

 

Рис. 2.21. Схема компенсационного стабилизатора напряжения на выходное напряжение 12 V.

 

 

Таблица 2.10. Назначение элементов схемы.

 

Элемент	Назначение	Параметры	Увеличение	Уменьшение
Источник напряжения V1	Источник входного напряжения	+18 V	Увеличивается мощность, рассеиваемая транзистором Q1 и стабилитроном D1	Уменьшается мощность, рассеиваемая транзистором Q1 и стабилитроном D1
Стабилитрон D1 типа BZX55C15	Для стабилизации тока базы регулирующего элемента	Напряжение стабилизации 15 V. Максимальный ток стабилизации 27 mA	-	-
Стабилитрон D2 типа BZX55C7V5	Источник опорного напряжения	Напряжение стабилизации 7,5 V. Максимальный ток стабилизации 53 mA	-	-
Транзистор Q1	Усилитель тока базы регулирующего элемента	Uкэ≤40 V Iк≤200 mА P≤500  mW	-	-
Транзистор Q2	Усилитель сигнала рассогласования	Uкэ≤18 V Iк≤100 mA P≤ 200 mW	-	-
Транзистор Q3	Регулирующий элемент	Uкэ≤60 V Iк≤4 А P≤40 W	-	-
Резистор R1	Балластный резистор. Определяет ток через стабилитрон D1	270 Ом	Уменьшение тока стабилитрона D1	Увеличение тока стабилитрона D1
R2	Определяет ток базы регулирующего элемента	1,3 кОм	Уменьшение тока базы Q1	Увеличение тока базы Q1
R3	Балластный резистор. Определяет ток через стабилитрон D2	510 Ом	Уменьшение тока стабилитрона D2	Увеличение тока стабилитрона D2
R4	Делитель напряжения цепи обратной связи	5,1 кОм	Увеличение выходного напряжения	Уменьшение выходного напряжения
R5	Делитель напряжения цепи обратной связи	3,3 кОм	Уменьшение выходного напряжения	Увеличение выходного напряжения
R6	Делитель напряжения цепи обратной связи	12 кОм	Уменьшение выходного напряжения	Увеличение выходного напряжения
R7	Эквивалент нагрузки	12 Ом	Уменьшение потребляемого нагрузкой тока	Увеличение потребляемого нагрузкой тока

 

В компенсационном стабилизаторе  за счет отрицательной обратной связи автоматически поддерживается с заданной точностью необходимая разность между выходным Uвых и некоторым эталонным Uоп напряжениями.

Регулирующий элементом служит транзистор Q3 типа 2N5191. Для усиления тока управления использован транзистор Q1 типа 2N3904, включенный совместно с транзистором Q3 по схеме Дарлингтона. На транзисторе Q2 типа 2N2712 собран усилитель рассогласования. На эмиттер его подается опорное напряжение Uоп со стабилитрона D2, на базу – часть выходного напряжения с делителя напряжения R4, R5, R6, образующего цепь отрицательной обратной связи.

С помощью переменного резистора R5 можно изменять величину выходного напряжения в некоторых пределах.

Дополнительный параметрический стабилизатор на элементах R1, D1 служит для стабилизации питания цепи базы транзистора Q1.

Включите моделирование и проверьте по показаниям пробников правильность функционирования схемы, после чего остановите моделирование.

Для исследования работы схемы воспользуемся режимом анализа «Изменения на DC» («DC Sweep»). Перейти к этому режиму можно через главное меню:

Меню->Моделирование->Анализ->Изменения на DC (Main menu->Simulate -> Analyses -> DC Sweep), рис.2.22.

 

 

 

Рис. 2.22. Выбор режима анализа «Изменения на DC»

 

В появившемся окне на вкладке «Анализируемые параметры» (Analyses Parameters) установите источник vv1, начальное значение (Start Value) 0 V, конечное значение (Stop Value) 24 V, приращение (Increment)  0.5 V (рис.2.23).

 

 

Рис. 2.23. Выбор параметров для анализа.

 

Далее, перейдите на вкладку «Переменные» (Output). В поле «Выходные переменные» (Variables in circuit) выберите левой кнопкой мыши V(Пробник5) (V(Probe5)) и кликните по кнопке «Добавить» (рис.2.24).

 

 

Рис. 2.24.Выбор переменных для анализа.

Поле «Переменные для анализа» (Selected variables for analyses) должно выглядеть как на рис.2.25

 

.

 

Рис. 2.25. Выбор переменных для анализа.

 

Щелкните левой кнопкой мыши по кнопке «Моделировать» (Simulate) внизу окна. Появится окно «Просмотр графиков» (Grapher View), в котором будут отображен график зависимости выходного напряжения стабилизатора от входного напряжения, поступающего от источника V1 (рис.2.26).

 

 

Рис. 2.26. Зависимость выходного напряжения от входного.

 

В верхней части окна «Просмотр графиков» (Grapher View) находится панель инструментов (toolbar), с помощью которой можно управлять режимом отображения графиков (рис.2.27).

 

Сама панель:
Кнопки, которыми будем пользоваться:
Включение/выключение сетки:
Включение/выключение курсоров:
Вызов окна свойств графиков (Graph Properties)
Переключение цвета графиков позитив/негатив:

 

Рис. 2.27. Панель инструментов окна «Просмотр графиков».

 

Щелкните левой кнопкой мыши по кнопке курсоров . Появится дополнительное окно с заголовком «Передаточная характеристика на DC» (DC Transfer Characteristic), которое можно переместить, зацепив левой кнопкой мыши за синее поле в его верху (рис.2.28).

 

 

Рис. 2.28. Использование курсора для измерений.

 

Кроме того, на графике в левом верхнем углу появятся цветные треугольнички, связанные с двумя визирами, которые можно перемещать, зацепив левой кнопкой мыши так же, как это делалось в окне осциллографа. На рис.2.28 первый визир перемещен в положение, соответствующее входному напряжению около 13,7 V. В окне «Передаточная характеристика на DC» (DC Transfer Characteristic) это соответствует x1=13.7395 V. Соответствующее значение выходного напряжения отсчитываем в строке y1: 11.8300 V (строки на рисунке выделены овалом).

Сохраните полученный график и определите на нем момент начала процесса стабилизации.

Для определения коэффициента стабилизации по напряжению вновь запустите режим анализа «Изменения на DC». На вкладке «Анализируемые параметры» введите в графе «Начальное значение» 16 V, в графе «Конечное значение» 20 V (рис. 2.29). Это соответствует изменению входного напряжения Uвх=18 V на ±2 V. Кликните кнопку «Моделировать» в нижней части окна. Вид получившегося графика должен соответствовать рис.2.30.

Как и в предыдущем случае, включите курсоры и  сетку. Разведите курсоры в крайние положения графика, как показано на рис. 2.30.

 

Рис. 2.29. Выбор параметров для анализа.

 

 

Рис. 2.30. Определение величин для расчета коэффициента стабилизации напряжения.

На полученном графике в окне показаний курсоров dx соответствует изменению входного напряжения, dy - изменению выходного напряжения согласно установке курсоров.

Рассчитайте коэффициент стабилизации по входному напряжению:

 

Kст = .

 

В данном случае Uв х =18 V, ΔUв х =4 V, Uвых=12 V, ΔUвых=5,323 mV.

Для расчётов можно использовать программу MathCAD, которую применяли для определения коэффициента стабилизации предыдущих схем.

Для определения выходного сопротивления стабилизатора воспользуемся таким приемом.

Введем дополнительный источник постоянного напряжения V2 и включим его последовательно с нагрузкой с помощью переключателя J1, как показано на рис.2.31.

 

Рис. 2.31. Подключение дополнительного источника напряжения.

 

В верхнем положении переключателя дополнительный источник отключен, и через нагрузку R7 течет полный выходной ток стабилизатора. При переводе движка переключателя в нижнее положение ток через резистор нагрузки R7 будет определяться разностью между выходным напряжением стабилизатора и напряжением источника V2. Простой расчет показывает, что если ток нагрузки был равен Iн1=12V/12Ом = 1А, то после подключения источника V2 он станет:

 

.

 

Т.е. ΔIвых = Iн1-Iн2 = 0,1 А.

Включите режим моделирования и, переключая J1, проверьте, что выходной ток изменяется соответствующим образом, после чего остановите моделирование.

Для определения выходного сопротивления стабилизатора необходимо определить теперь соответствующее изменение ΔUвых. Для этого переведите переключатель J1 в нижнее по схеме положение и запустите режим анализа «Изменения на DC». На вкладке «Анализируемые параметры» выберите в графе «Обозначение» vv2, в графе «Начальное значение» 0 V, в графе «Конечное значение» 1.2 V, «Приращение» 0.1 V (рис.2.32).   

 

 

Рис. 2.32. Выбор параметров для анализа.

 

Перейдите на вкладку «Переменные» и при необходимости установите в поле «Переменные для анализа» «V(Пробник5)».

 

 

Рис. 2.33. Выбор переменных для анализа.

 

Кликните кнопку «Моделировать» в нижней части окна. Вид получившегося графика должен соответствовать рис. 2.34.

 

 

Рис. 2.34. Определение ΔUвых.

 

 

Как и в предыдущем случае, включите курсоры и сетку. Разведите курсоры по краям графика, как показано на рис.2.34.

  Вычислите дифференциальное выходное сопротивление стабилизатора по формуле

 

.

 

Для расчётов можно использовать программу MathCAD, которую применяли для расчёта выходного сопротивления предыдущих схем.

Определите коэффициент полезного действия стабилизатора по формуле:

 

 

Здесь KPD - коэффициент полезного действия, Uout и Iout – ток и напряжение на выходе стабилизатора, Uin и Iin – ток и напряжение на его входе. Для расчёта можно использовать, как и в предыдущих случаях, программу MathCAD.

 

Результаты измерений и расчетов сведите в таблицу 2.8.

 

Таблица 2.11.